Serviceability of mesh double-bumper shields under the action of high-velocity particles.pdf Одним из факторов, определяющих надежность функционирования космических аппаратов (КА) и их узлов в условиях космического полета, является защита от воздействия метеорно-техногенных тел (МТТ), которые ударяются о внешние элементы конструкции КА со скоростями до нескольких десятков километров в секунду. Техногенные и микрометеорные тела представляют собой реальную и весьма серьезную угрозу для безопасности и функциональных возможностей КА. Необходимость защиты элементов КА, критичных к воздействию МТТ, и параметры такой защиты определяются следующими факторами: - назначение КА; - особенности конструкции КА, его целевой аппаратуры и устанавливаемых агрегатов и систем; - параметры орбиты КА и траектории перелета; - заданный срок активного существования КА; - особенности метеорно-техногенной обстановки в околоспутниковой зоне в процессе функционирования КА. При решении задачи защиты внешних элементов КА от воздействия МТТ необходимо учитывать особенности конструкции внешних элементов создаваемого аппарата, состояние их после воздействия и признаки механического повреждения, ухудшающие эксплуатационные характеристики элементов. В работе [1] обобщаются результаты исследований НАСА сеточных экранов с двойным бампером, как одна из концепций защитных экранов низкого веса. Как показали экспериментальные исследования, экраны такой конструкции продемонстрировали экономию массы для диапазона скоростей легкогазовых установок (ЛГУ) по сравнению с обычным щитом Уиппла, представляющим собой две пластины из алюминиевого листа, внешняя из которых по отношению к налетающей частице служит защитным экраном, приблизительно 30-50 % при нормальном угле воздействия (при угле наклона воздействия 45° достигалась еще большая экономия массы экрана, приблизительно 70 %, при сохранении его работоспособности). Данный тип защитного экрана с двойным бампером (MDB) был сконструирован путем добавления сетки с мелким просветом перед стандартным щитом Уип-пла и вставки слоя ткани высокой прочности между вторым бампером и задней стенкой. По результатам испытаний были разработаны формулы, которые позволяют инженеру-конструктору определить размеры элементов экрана применительно к космическому кораблю. В работе [1, с. 178] приведены баллистические предельные уравнения, определяющие работоспособность щита MDB. Уравнения даются в форме, которая связывает критический диаметр частицы d со скоростью воздействия v, углом воздействия, плотностью частицы и параметрами мишени. Воздействия частицы большей критического размера приводят к пробою защиты (по факту это перфорация или отделение осколка на задней стенке щита), в то время как частицы меньшего размера не приводят к пробою. Подобные уравнения задают работоспособность защитной конструкции с учетом полного спектра условий воздействия, ожидаемых на орбите, и используются в исследованиях вероятности пробоя при воздействии МТТ с помощью специальных программ. Для V > 6.4/(cos e)1/3 : dc = 0.6 (twpw f p-;/V-V3 (cose)-1/3 S1/2 (a/40f . (1) Для 2.8/(cose)0 5 < V < 6.4/(cose)1/3: dc = i.iip/5 [tw (a/40)0 5 + 0.37(mb + m, )](cose)-4/3 x x[( 6.^(cos e)1/3 - V )Д 6.^(cos e)1/3 - 2.8/ (cos e)05)] + +0.323 (twpwf p-/3 (cose)-2/9 SV2 (a/40)"6 x x[(V-2.8/(cose)05)/(6.4/(cose)1/3 -2.8/(cose)05)]. (2) Для V < 2.8/(cos e)0 5: dc = 2.2 [tw (a/40)0 5 + 0.37 (mb + m, )]/[(cose)5'3 p0/V2'3 ] . (3) Здесь: dc - диаметр снаряда, вызывающий пробой защищаемой стенки (см), p - плотность (г/см3), m - поверхностная плотность (г/см2), S - полный интервал между внешним бампером и задней стенкой (см), a - допустимая прочность на разрыв задней стенки (ksi), t - толщина (см), e - угол воздействия, измеренный от поверхности, нормальной (градус), V - скорость снаряда (км/с); индексы: b - бамперы (первый и второй бампер в сеточном экране двойного бампера), I - средний слой ткани в щите MDB, p - снаряд, w - задняя стенка. На рис. 1 представлена построенная с использованием формул (1) - (3) баллистическая предельная зависимость (БПЗ) для типовой конфигурации экрана с двойным сеточным бампером [1, с. 179] совместно с экспериментальными точками. Общая поверхностная плотность экрана составляет 0.32 г/см2 (при поверхностной плотности, входящей в конструкцию задней стенки из сплава A12024T1, равной 0.142 г/см2). Расстояние между задней стенкой и внешним бампером составляет 10.16 см. Щит с двойным сеточным бампером (теор.); Защита Уипла (теор.); Пробой сеточного типа (эксп.); Непробой сеточного типа (эксп.) Рис. 1. Баллистическая предельная зависимость для щита с двойным сеточным бампером и эквивалентного щита Уиппла БПЗ экрана с двойным сеточным бампером изображена совместно с БПЗ обычного «щита Уиппла» с эквивалентной поверхностной плотностью для наглядного сравнения работоспособности этих конструкций. Обе кривые строились для нормального угла подлета. Для расчета работоспособности типового щита Уиппла использовались уравнения Кристиансена и Керр для расчета двойной стенки [2, с. 97]. Исследованию проблемы защиты космических аппаратов от столкновения их с метеорными и техногенными частицами посвящена работа [3], в которой проводилось численное моделирование и экспериментальное определение предельной стойкости элементов конструкции КА «Спектр-УФ», В экспериментах и при численном моделировании рассматривался образец, представляющий собой реальный фрагмент бака астрофизического спутника «Спектр-УФ» с установленной противометеорной защитой. Эксперименты проводились с алюминиевыми шариками диаметром 1.5-2.5 мм при скоростях соударения 2.03-3.95 км/с. Защитная пластина имела толщину 1.7 мм, стенка бака - 1.9 мм, расстояние между ними -38 мм, оба элемента образца - алюминиевые (конструкция щита Уиппла). Сеточный экран с двойным бампером в качестве одного из объектов исследования тестировался в научно-исследовательской работе, выполненной НИИ ПММ ТГУ по заказу НПО им. Лавочкина [4]. В рамках этой работы проводились эксперименты по высокоскоростному соударению элементов конструкций космического аппарата с использованием пороховых и легкогазовых баллистических установок и численное моделирование с использованием трехмерного конечно-разностного метода. При проведении экспериментальных работ было испытано несколько вариантов защитных экранов, предназначенных для защиты от воздействия высокоскоростных метеорно-техногенных частиц топливного бака космического корабля, в том числе экран с двойной сеткой и эквивалентный по массе щит Уип-пла. Особенности метательного процесса и общие теоретико-экспериментальные результаты проделанной работы изложены в статье [5]. Конструкция экрана с двойной сеткой и его внешний вид изображены на рис. 2, 3. В качестве внешнего экрана была выбрана тканая сетка из нержавеющей стали с параметрами a = 0.5 мм и d = 0.3 мм (где a и d - просвет ячейки и диаметр проволоки), второй бампер представлял собой такую же сетку с параметрами a = 0.3 мм и d = 0.2 мм. В качестве аналога топливного бака КА использовался лист из сплава АМг6 толщиной 2 мм. Расстояние между внешним и вторым бампером составляло 15 мм, между вторым бампером и фрагментом бака - 35 мм. 15 Сетка 0.3 мм Стенка бака Сетка 0.5 мм Частица О- Рис. 2. Схема двойного сеточного экрана, применявшегося в экспериментах Рис. 3. Лицевая сторона сборки «сетки - элемент бака» 35 Испытания на стойкость данной экранной конструкции к высокоскоростному воздействию твердых частиц проводились с помощью метательных установок -пороховой пушки калибром 8 мм и легкогазовой пушки МПХ 23/8 калибра 8 мм. Результаты испытаний показали значительное увеличение работоспособности сеточного экрана по сравнению с обычным экраном аналогичной поверхностной плотности. На рис. 4 показаны экспериментальные точки для данного сеточного экрана и эквивалентного щита Уиппла (толщина бампера из АМг6 1.0 мм), полученные в ходе испытаний, и баллистические предельные зависимости для эквивалентного щита Уиппла, а также для щита Уиппла с большей (1.5 мм) толщиной бампера. 0.6 0.4 0.2 1 j > •к с г€ Г .. д. ) 1.5 2 2.5 3 3.5 v, км/с Экран с двойной сеткой: нет пробоя Экран с двойной сеткой: на грани пробоя Экран с двойной сеткой: пробой Экран с двойной сеткой: (теор.) в Защита Уипла 1.0 мм: пробой Защита Уипла 1.0 мм: на грани пробоя Защита Уипла 1.0 мм (теор.) Защита Уипла 1.5 мм (теор.) d, см 0 Рис. 4. Экспериментальные точки экрана и кривые БПЗ для экрана с двойной сеткой [4] и эквивалентного ему щита Уиппла Основная часть экспериментов проводилась с использованием дюралюминиевых шариков в качестве ударника. Однако в нескольких опытах (d > 0.4 мм на рис. 4) использовались и другие материалы в качестве ударника - поддон из поликарбоната с железным шариком или с железной шайбой (или без них). Для данных экспериментов нанесенный на графике диаметр ударника пересчитан по его массе в эквивалент дюралюминиевого шарика. Для данной конструкции двойного сеточного экрана суммарная поверхностная плотность двух сеток составляет 2.51 кг/м2, что соответствует пластине из АМг6 толщиной 0.95 мм. Теоретические баллистические предельные зависимости для двойного сеточного экрана и щита Уиппла с бампером из АМг6 толщиной 1 мм (при толщине алюминиевой задней стенки 2 мм), использовавшихся в экспериментах, приведены на рис. 5. В целом, по результатам экспериментов [4] можно отметить, что экран с двойной сеткой, как и в серии экспериментов [1], показал существенно большую эффективность по сравнению с эквивалентной (по массе) защитой Уиппла, о чем непосредственно свидетельствовали, в частности, эксперименты при скорости ударника 2.9 км/с. Рис. 5. Баллистическая предельная зависимость для экрана с двойным сеточным бампером (НИИ ПММ ТГУ) и эквивалентного щита Уиппла

Скачать электронную версию публикации